基于ANSYS的大型香蕉篩應(yīng)力強(qiáng)度分析

趙環(huán)帥

0 引言

篩分是煤炭洗選的重要環(huán)節(jié)，香蕉篩作為煤炭洗選的主要設(shè)備之一，用于煤炭的分級(jí)、脫泥及磁選介質(zhì)的回收，目前在我國(guó)選煤廠中得到了普遍的推廣與應(yīng)用。而且結(jié)構(gòu)可靠、運(yùn)行穩(wěn)定的大型香蕉篩已成為選煤工業(yè)用戶的首選。隨著香蕉篩跨度的不斷增加，對(duì)其本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更高的要求，同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，由于連續(xù)作業(yè)時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，對(duì)香蕉篩可靠性的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。而從目前國(guó)內(nèi)篩分設(shè)備的整體發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，國(guó)產(chǎn)大型香蕉篩在可靠性方面與國(guó)際先進(jìn)水平之間仍存在一定的差距，而且國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率一直很低，因此，自主開(kāi)發(fā)制造高可靠性大型香蕉篩已成為篩分設(shè)備行業(yè)面臨的一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，同時(shí)也是未來(lái)一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)[1-4]。

本文以國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上常見(jiàn)的跨度為4.2 m的大型香蕉篩為例，采用ANSYS分析軟件研究其整體及各主要構(gòu)件的內(nèi)部von Mises應(yīng)力分布規(guī)律，以期為大型香蕉篩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。

1 香蕉篩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

香蕉篩也稱為等厚篩，主要由篩箱、激振器、篩面、支撐裝置與傳動(dòng)裝置等多個(gè)部件通過(guò)高強(qiáng)度螺栓或拉鉚螺釘連接組成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[5-7]。香蕉篩結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。目前國(guó)內(nèi)外香蕉篩篩面主要分為3，5和6角度。香蕉篩在工作時(shí)，隨著香蕉篩篩面傾角的逐步減小，篩面上的物料因透篩也逐步減少，物料的篩分運(yùn)動(dòng)速度同時(shí)降低，所以在篩分過(guò)程中，篩面上物料總能大致保持相同的篩分物料厚度。目前香蕉篩主要采用自同步原理的驅(qū)動(dòng)方式，兩組箱式激振器分別安裝在驅(qū)動(dòng)梁上，其產(chǎn)生的簡(jiǎn)諧振動(dòng)力方向與水平方向成固定夾角(國(guó)內(nèi)一般采用45°)，安置在箱式激振器上的兩組偏心塊質(zhì)量相同，在各瞬時(shí)做同步反向轉(zhuǎn)動(dòng)，其所產(chǎn)生的離心力在法向的分力相互抵消，同時(shí)在振動(dòng)方向的分力互相疊加，因此在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，始終形成單一的沿振動(dòng)方向的簡(jiǎn)諧激振力，同時(shí)在彈性支撐裝置的聯(lián)合作用下，驅(qū)使篩箱不斷沿斜上方做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

1.篩箱；2.激振器；3.篩面；4.支撐裝置；5.傳動(dòng)裝置圖1 香蕉篩結(jié)構(gòu)圖

香蕉篩結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：

(1)篩箱采用力封閉式形成的空間桁架式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式能極大減少各種應(yīng)力集中現(xiàn)象，在一定程度上提高了篩框的整體使用壽命。

(2)所有關(guān)鍵件的材料均采用優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，它具有優(yōu)異的耐低溫和沖擊韌性，并有良好的抗撕裂特點(diǎn)。

(3)橫梁采用矩形管，在橫梁及橫梁托板上噴涂聚脲耐磨防腐材料，提高了矩形橫梁表面耐磨損、耐腐蝕及耐沖擊等各項(xiàng)性能指標(biāo)。

(4)激振梁為箱型結(jié)構(gòu)，安裝、維護(hù)與使用方便。

(5)側(cè)板采用整塊鋼板，經(jīng)等離子切割制成，可以保證在側(cè)板下料過(guò)程中整體結(jié)構(gòu)無(wú)殘余應(yīng)力的存在。

2 有限元模型的建立

首先根據(jù)香蕉篩的二維設(shè)計(jì)圖紙，采用SolidWorks三維建模軟件建立起其三維模型(圖2)，再結(jié)合ANSYS有限元軟件生成相應(yīng)的三維有限元模型[8-10]。在有限元模型的建立過(guò)程中，考慮到香蕉篩各種零部件較多、連接方式多樣、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)復(fù)雜等問(wèn)題，不可能按照香蕉篩的細(xì)節(jié)詳細(xì)建模，因此根據(jù)篩機(jī)與實(shí)際工況相似原則，在不影響其分析結(jié)果的情況下，忽略一些次要的因素，對(duì)模型的建立方法進(jìn)行一些適當(dāng)簡(jiǎn)化處理。根據(jù)香蕉篩整體受力及構(gòu)件的分布特點(diǎn)，對(duì)篩板、激振器等一些部件，及焊接、螺栓連接等接觸部位進(jìn)行簡(jiǎn)化，具體的方法為：①根據(jù)每個(gè)橫梁結(jié)構(gòu)及受力的特點(diǎn)，把篩板的重量折合成力，分別施加在每個(gè)橫梁的槽鋼上；②由于激振器由多個(gè)部件組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在計(jì)算過(guò)程中對(duì)于激振器采用質(zhì)量塊來(lái)代替，施加在驅(qū)動(dòng)梁的連接部位；③焊接與螺栓連接的方式采用MPC接觸算法進(jìn)行粘接及剛化處理。

圖2 香蕉篩三維模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況，在香蕉篩4個(gè)支撐座底板分別加上6個(gè)自由度的完全約束，篩框及復(fù)合彈簧使用Solide 186單元進(jìn)行自由劃分，激振器質(zhì)量塊采用mass 21單元與驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行連接，通過(guò)控制有限元網(wǎng)格的大小實(shí)現(xiàn)對(duì)篩機(jī)的各個(gè)部件分別進(jìn)行自由劃分。經(jīng)過(guò)處理后，香蕉篩網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。

圖3 香蕉篩網(wǎng)格劃分模型

3 基于有限元法的動(dòng)力學(xué)分析

香蕉篩在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在兩組箱式激振器上的偏心塊所產(chǎn)生的簡(jiǎn)諧交變激振力的連續(xù)激振作用下，香蕉篩的一些主要部件(側(cè)板、橫梁、驅(qū)動(dòng)梁等)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力分布，而應(yīng)力分布規(guī)律及數(shù)值大小對(duì)香蕉篩的整體可靠性有著極其重要的影響。因此，為研究與分析香蕉篩的可靠性，對(duì)香蕉篩的整體與各個(gè)部件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析(諧響應(yīng)分析)。

在香蕉篩的驅(qū)動(dòng)梁相應(yīng)位置的兩個(gè)質(zhì)量塊上，分別加上計(jì)算折合后的簡(jiǎn)諧激振力(圖4)，得出在其工作頻率(16.16 Hz)情況下，香蕉篩篩箱整體Von Mises等效應(yīng)力分布圖，如圖5所示。

圖4 簡(jiǎn)諧激振力

圖5 篩箱等效應(yīng)力分布圖

從圖5可以得出，香蕉篩最大值Von Mises應(yīng)力達(dá)到13 MPa，主要分布在橫梁法蘭與鋼管、驅(qū)動(dòng)梁法蘭與矩形截面梁連接處。

為分析篩箱各部件(側(cè)板、驅(qū)動(dòng)梁、橫梁)的Von Mises應(yīng)力分布特點(diǎn)及規(guī)律情況，將各部件單獨(dú)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6-8所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)梁應(yīng)力分布圖

圖8 橫梁應(yīng)力分布圖

由以上分析圖得出如下結(jié)論：

(1)從圖6看出：側(cè)板的von Mises應(yīng)力主要集中于激振器側(cè)板附近、加強(qiáng)梁側(cè)板附件、中部橫梁側(cè)板附件。

(2)從圖7看出：驅(qū)動(dòng)梁的von Mises應(yīng)力主要集中于激振器及兩端法蘭附近。

(3)從圖8看出：橫梁的von Mises應(yīng)力主要分布在橫梁中部與橫梁兩法蘭附近。

4 結(jié)論

通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析得出如下結(jié)論：該類型香蕉篩von Mises應(yīng)力主要集中于橫梁法蘭與鋼管、驅(qū)動(dòng)梁法蘭與矩形截面梁連接處以及加強(qiáng)梁或橫梁中間部分，但von Mises應(yīng)力數(shù)值較小，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明此類型香蕉篩整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，布局合理。

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